[發明專利]一種紅外窄帶輻射器

有效

• 申請號: 201910603005.6
• 申請日: 2019-07-05
• 公開（公告）號: CN110323668B
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發明（設計）人: 王健;羅毅;歐春暉;郝智彪
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01S5/06
• 分類號: H01S5/06;H01S5/04;H01S5/323
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 劉鳳玲

本發明公開了一種紅外窄帶輻射器。該紅外窄帶輻射器產生預設頻率v_IR的中長波紅外窄帶輻射，其包括由下到上依次生長的襯底、泵浦光源、第一紅外諧振腔、紅外增益介質和第二紅外諧振腔；或包括由下到上依次生長的襯底、泵浦光源和摻雜有紅外增益介質的紅外諧振腔。紅外增益介質的禁帶寬度等于所需中長波紅外光的能量，紅外增益介質吸收泵浦光源發出的泵浦光，產生熱載流子，光致熱載流子通過弛豫到紅外增益介質的能帶邊緣產生多個電子?空穴對，多個電子?空穴對通過輻射復合為頻率v_IR的中長波紅外光提供增益，泵浦光的頻率v_pump2v_IR。本發明在無需中長波紅外增益介質的單晶外延生長的情況下，提高了輻射功率譜密度和方向性。

技術領域

本發明涉及光-熱-電能量轉換技術領域，特別是涉及一種紅外窄帶輻射器。

背景技術

中長波紅外光源在氣體探測、生物目標檢測等諸多領域有著極為廣泛的應用。以氣體探測為例，諸多氣體分子在中長波紅外波段有特征吸收峰，稱為指紋區。通過紅外光源發射這些波長的紅外光，如果存在這類分子，則紅外光會被吸收，信號減弱，通過探測紅外信號強弱即可檢測到對應分子是否存在以及其相對濃度大小。而不同的氣體分子有著不同的指紋區，其指紋區覆蓋范圍為幾納米到數十納米不等，中心波長范圍也各不相同，因此對于中長波紅外光源提出了窄帶輻射的要求。

現有的中長波紅外窄帶輻射器主要有以下兩種實現方案：1)中長波紅外量子級聯激光器；2)中長波紅外窄帶熱輻射器。

中長波紅外量子級聯激光器有著較好的單色特性，光譜功率密度高，能進行快速調制，但往往需要超過μm甚至10μm量級的中長波紅外增益介質的單晶外延生長，成本極高，成為限制其在中長波紅外探測應用的主要因素。

中長波紅外窄帶熱輻射器，通過構建具有中長波窄帶吸收特性的輻射器表面，根據基爾霍夫定律，對該輻射器加熱以后，該輻射器對外進行窄帶的中長波紅外輻射。對于任何的熱輻射器，其遠場輻射功率譜密度不可能超過同溫度的黑體，從而具有輻射功率譜密度低的缺點；另外由于單純的加熱難以實現粒子數反轉，熱輻射器只有諧振器而沒有增益介質，其光譜功率譜相對較寬，并且輻射的方向性相對較差。

發明內容

本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。

本發明的目的是提供一種單片集成的中長波紅外窄帶輻射器，能夠在無需中長波紅外增益介質的單晶外延生長的情況下，實現較高的輻射功率譜密度和方向性，具有制備方式簡單、成本低的優點。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

一種紅外窄帶輻射器，所述紅外窄帶輻射器包括由下到上依次生長的襯底、泵浦光源、第一紅外諧振腔、紅外增益介質和第二紅外諧振腔；所述紅外窄帶輻射器用于產生預設頻率v_IR的中長波紅外窄帶輻射；

所述紅外增益介質用于吸收所述泵浦光源發出的泵浦光，以產生中長波紅外光，所述泵浦光的頻率v_pump與所述預設頻率v_IR滿足v_pump2v_IR；所述紅外增益介質的禁帶寬度等于所述中長波紅外光的能量；所述第一紅外諧振腔和所述第二紅外諧振腔均由N個諧振單元由下到上依次堆疊而成，其中N≥2；所述第一紅外諧振腔和所述第二紅外諧振腔用于對所述中長波紅外光進行諧振選頻，以產生預設頻率v_IR的中長波紅外窄帶輻射。

可選的，所述紅外增益介質為具有多重激子效應的窄禁帶半導體或具有多重激子效應的準金屬；

所述窄禁帶半導體為PbSe納米量子點、PbS納米量子點、PbTe納米量子點、InAs納米量子點、InP納米量子點、CdSe納米量子點和CdTe納米量子點中的一種或幾種；